鍍銅與無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)焊用實(shí)芯焊絲焊縫金屬組織和性能的對(duì)比研究

劉宗坤　李代君　林宇晨　張雪峰　付逸文　張珊珊

摘要：傳統(tǒng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊采用鍍銅焊絲，在工作的過程中產(chǎn)生大量的銅煙霧，吸入銅煙霧可引起金屬煙熱，長(zhǎng)期吸入可引起肺部纖維組織增生。無鍍銅焊絲省去鍍銅工序，減少環(huán)境污染；焊接時(shí)使作業(yè)者免受含銅煙霧的損害，是保護(hù)環(huán)境和人類健康的新產(chǎn)品。本項(xiàng)目采用金相、電子顯微技術(shù)、機(jī)械性能等手段，測(cè)試和研究環(huán)保型無鍍銅氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬顯微組織轉(zhuǎn)變、合金化、韌化機(jī)理分析、機(jī)械性能變化，與傳統(tǒng)的鍍銅焊絲的焊縫金屬組織和性能進(jìn)行對(duì)比研究試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無鍍銅焊絲；焊縫組織和性能；對(duì)比研究

0 引言

綠色制造的環(huán)保理念將推動(dòng)焊接材料的革命，傳統(tǒng)的鍍銅焊絲在工作對(duì)焊接操作人員造成健康損害，且由于銅的存在對(duì)焊縫金屬造成不良影響。無鍍銅焊絲省去鍍銅工序，減少環(huán)境污染，焊接時(shí)使作業(yè)者免受含銅煙霧的損害，是保護(hù)環(huán)境和人類健康的新產(chǎn)品，有良好的推廣應(yīng)用前景［1-2］。本項(xiàng)目測(cè)試和研究環(huán)保型無鍍銅氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬組織和性能的變化規(guī)律并與傳統(tǒng)的鍍銅焊絲進(jìn)行對(duì)比研究試驗(yàn)［3-5］。

1 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容與目的

本研究的主要內(nèi)容是：采用金相、電子顯微技術(shù)、機(jī)械性能等手段，測(cè)試和研究環(huán)保型無鍍銅氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬顯微組織轉(zhuǎn)變、合金化、韌化機(jī)理分析、機(jī)械性能變化［6-8］。主要包括：

① 對(duì)比研究鍍銅與無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬的組織特征及變化規(guī)律；

② 對(duì)比研究鍍銅與無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬的合金成分分布及變化規(guī)律；

③ 對(duì)比研究鍍銅與無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬的斷口形貌特征；

④ 分析研究鍍銅對(duì)實(shí)芯焊絲焊縫金屬組織與性能影響。

通過以上測(cè)試與分析，為研制無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲提供依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)材料、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)主要測(cè)試的樣品有和分析內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比觀察和研究無鍍銅（2#）和鍍銅（3#）2類焊縫試樣的各種組織、成分與性能的情況。

拉伸斷口，及其對(duì)應(yīng)斷面的顯微組織金相、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）化學(xué)成分、顯微硬度等的觀察與分析；

沖擊斷口，及其對(duì)應(yīng)斷面的顯微組織金相、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）化學(xué)成分、顯微硬度等的觀察與分析；

2.2 金相和SEM樣品制備

初步加工：在砂輪上將樣品的毛邊和飛刺去除，制成平整的外形。

樣品的磨制和拋光：將初步加工后的樣品在金相砂紙上由粗到細(xì)磨至1800#，然后再用三氧化二鉻拋光劑拋光，最后沖洗掉拋光劑。

樣品的腐蝕：4％的硝酸酒精溶液。侵蝕后用清水洗凈腐蝕液，再將無水酒精灑在樣品表面，趕除其余水分。最后，用電吹風(fēng)將樣品吹干，將樣品用干凈的濾紙包好，放入專門的樣品瓶?jī)?nèi)，以待觀察。

2.3 顯微硬度測(cè)試

試驗(yàn)在上海泰明光學(xué)儀器有限公司的HXD-1000TC帶圖像分析手動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，試驗(yàn)力為0.980 N（100 g力）；力保持時(shí)間15秒；試驗(yàn)10次算平均值。

2.4 主要研究用設(shè)備

1） 荷蘭FEI公司的Sirion型“場(chǎng)離子發(fā)射槍超高分辨掃描電鏡（HRSEM）”（點(diǎn)分辨率1.5nm，帶EDAX公司的EDS＋EBSD一體化附件）。主要用于材料的顯微組織、化學(xué)成分、斷口等觀察和分析。

2） 日本Nikon公司Epiphot 300型臥式金相顯微鏡、Olympus BX51型正立式金相顯微鏡。主要用于金相組織（宏觀50倍－1000倍）的分析、氧化腐蝕物鑒別等。

3） 上海泰明光學(xué)儀器有限公司HXD-1000TC型帶圖像分析手動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)。主要用于材料及焊縫部位在高溫服役過程中的顯微硬度變化測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 維氏顯微硬度（Hv）

3.2 樣品之間硬度值差別的解釋

1）沖擊和拉伸樣品的硬度差別可能與取樣位置有關(guān)，因?yàn)槎鄬雍傅暮缚p區(qū)，由于受多次熱循環(huán)的作用，有的部位晶粒細(xì)小，如前幾次的焊道，其對(duì)應(yīng)的硬度要高一些；而有些部位晶粒較粗大，如后焊的焊道部分，其對(duì)應(yīng)的硬度要低一些。

2）拉伸變形也會(huì)是其硬度提高，這就是為什么拉伸試樣的硬度整體高于沖擊試樣的原因之一。

3）總的來說，無鍍銅焊縫的硬度要更均勻一些，這可能與無鍍銅時(shí)，氧的作用使得熔滴過渡更加均勻，從而造成組織也更加均勻有關(guān)。

3.3 拉伸樣品的斷口和組織特征及分析

實(shí)驗(yàn)將拉伸斷口樣品切割后，一半用于觀察斷口形貌，另一半磨成金相樣品用于觀察顯微組織。

1） 拉伸試樣的斷口形貌

對(duì)比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個(gè)焊縫試樣的斷口形貌，沒有差別，均有細(xì)小均勻的韌窩組成，如圖1、圖2、圖3所示。韌窩中的細(xì)小夾雜物主要由Mn、Si等元素組成（見第2部分分析）。說明焊縫區(qū)的韌性較高，微量和細(xì)小的夾雜物的存在是正常的，它們對(duì)材料的性能并沒有壞的影響。

2） 拉伸試樣的顯微組織形貌

對(duì)比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個(gè)焊縫試樣的斷口對(duì)應(yīng)的顯微組織形貌，也基本沒有差別，為柱狀晶，且鐵素體晶粒較細(xì)小，上面有細(xì)小的碳化物析出。其中鍍銅焊縫中有較大的異常夾雜物，這可能與鍍銅層殘留在焊接熔池中有關(guān)，如圖4、圖5、圖6所示。

3.4 沖擊樣品的斷口和組織特征及分析

由于沖擊樣品的斷口為兩半，實(shí)驗(yàn)取一半用于觀察斷口形貌，另一半磨成金相樣品用于觀察顯微組織，它們之間還有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1） 沖擊樣品的斷口形貌特征

對(duì)比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個(gè)焊縫試樣的斷口形貌，沒有差別。斷口主要有解理面河流花樣組成，解理面之間有少量的二次裂紋，且彎曲較多。但該斷口的撕裂棱明顯，對(duì)裂紋擴(kuò)展有一定阻力韌性較好。如圖7和圖8。在高倍下可以看到在解理面上存在一些非常小的孔洞，如圖9所示。它們可能是氣體沒有排除而留下來的痕跡，由于其尺寸很小，對(duì)性能沒有壞的影響，可能還有好的作用，但需要進(jìn)一步工作的深入研究。總的來說材料具有較好的韌性。

2） 沖擊試樣的顯微組織形貌

對(duì)比無鍍銅（2#）與鍍銅（3#）2個(gè)焊縫沖擊試樣的斷口對(duì)應(yīng)的顯微組織形貌，也基本沒有差別，為柱狀晶，且鐵素體晶粒較細(xì)小，上面有細(xì)小的碳化物析出和珠光體組織。其中鍍銅焊縫中沒有看到再拉伸試樣中的較大的異常夾雜物，這也說明是偶然產(chǎn)生的，如圖10、圖11所示。另外，與圖9對(duì)應(yīng)的顯微組織中也看到了微小氣孔，如圖12和圖13所示。

3.5 焊縫試樣的化學(xué)成分測(cè)試與分析

在無鍍銅和鍍銅2種拉伸樣品斷口的韌窩中，均有一些較小的析出物，測(cè)量其成分主要有Mn、Si、O、S等元素組成，應(yīng)該是MnS和SiO2夾雜物，如圖14所示。屬于正常組織和成分，對(duì)焊縫的性能沒有影響。

同樣測(cè)量無鍍銅樣品（2#）顯微組織中夾雜物的化學(xué)成分，與斷口中的基本一致（圖15）。說明夾雜物的類型是一樣的。成分定量上面的差別主要來源于測(cè)量方法，因?yàn)镾EM中的能譜測(cè)量時(shí)，有一個(gè)“水滴”擴(kuò)展效應(yīng)，即實(shí)際測(cè)量的范圍要大于電子束打在樣品表面上的范圍，這與X-射線的激發(fā)寬度和深度有關(guān)（具體原理可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)）。

另外，圖16中測(cè)量鍍銅樣品中夾雜物的化學(xué)成分，與無鍍銅樣品有一些差別，也是由于測(cè)量誤差造成的。根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，它們的成分應(yīng)該是一樣的。即夾雜物的性質(zhì)是相同的。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)比觀察和分析無鍍銅與鍍銅焊絲所焊接的焊縫斷口、顯微組織和化學(xué)成分，以及顯微硬度測(cè)量，可以認(rèn)為兩者的差別較小，均具有較高的韌性，無鍍銅環(huán)保型氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲焊縫金屬組織和性能指標(biāo)能滿足焊接工藝需求，具備推廣使用的價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉宗坤，男，生于1980年2月，籍貫山東青島，工程師，主要研究電力鋼結(jié)構(gòu)加工制造技術(shù)。電子郵箱：13606303961@163.com。